淺析礦山壓力的顯現規律

摘 要：礦山壓力是礦床開采后客觀存在的現象，是礦井頂板安全災害誘發的主要原因。了解并加以研究礦山壓力的顯現規律，對保證礦山的安全生產、保障礦工的生命財會、促進企業健康發展具有重要意義。文章結合自身在礦山工作的一些經驗，對此做了初步的探討。

關鍵詞：煤層巖石、支撐壓力、支架種類

中圖分類號：TD823 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2014）3-0177-01

1 礦山壓力

地下通常是處于靜止狀態的，但是當由于生產的需要而進行巷道開掘或回采施工時，礦井原有的平衡狀況就會受到外力的破壞，進而導致巖體內部應力要隨之做相應的再分配，當新的應力超過煤巖的極限強度時，巷道及回采工作面周圍的煤巖就會發生破壞，這種情況將持續到煤巖內部重新達到新的應力平衡為止。此時巷道和回采工作面周圍的煤巖體就形成了一個新的應力場而達到平衡。這種由于在地下進行采掘活動而在井巷，硐室及回采工作面周圍煤巖體中和支護物上所引起的力，就叫礦山壓力，簡稱礦壓。

2 支承壓力

①支承壓力的形成：當人們進行開掘切眼工作之前，煤體未被采動，處于應力平衡狀態，而在煤體開掘切眼后，原有的平衡狀態被打破，形成新的應力平衡狀態。這種新的平衡狀態是由于在切割眼上部頂板內形成了“壓力拱”。兩側煤壁平均分擔了切眼上部巖體的重量，這樣就產生了應力集中的現象，我們把這種現象稱作支撐壓力。

②影響支承壓力大小、分布的因素：煤質的軟硬程度、頂底板巖層的性質、開采的深度、采空區充填程度、頂板懸露時間及面積大小決定了支承壓力的大小和分布。

在煤質的軟硬程度方面：煤質越是松軟，變形和破壞的程度就越大，支承壓力分布的范圍也就越大，集中程度則越低。相反，煤質越是堅硬，支承壓力越是集中，影響范圍也就越小。

在頂底板巖層的性質方面：泥質頁巖頂板支承壓力的影響范圍不到30～40 m。而砂巖頂板支承壓力的影響范圍可達到工作面前方100 m左右。這表明頂板巖層越堅硬，頂板壓力分布就越均勻，支承壓力的集中程度就越小。底板巖層越是堅硬，支承壓力的影響范圍也就越大，集中程度也就越小。

在開采的深度方面：開采深度越大，則懸露頂板的重量越大，支承壓力也就越大。

在采空區充填程度方面：采空區充填程度越密實，支承壓力就越小。

在頂板懸露時間及面積大小方面：采空區頂板懸露時間越長，面積越大，頂板壓力就越大，支承壓力的分布范圍和集中程度也就越大。

③支承壓力顯現規律：我們工作中常見的幾種現象，如：沖擊地壓、煤和沼氣突出、煤壁破碎片幫、頂板下沉等都是在支承壓力的作用下產生的。

沖擊地壓、煤和沼氣突出：沖擊地壓是巖體中聚積的彈性變形勢能在一定條件下的突然猛烈釋放，導致巖石爆裂并彈射出來的現象。它是煤礦重大災害之一。在礦山壓力顯現形式中最為猛烈，破壞性強，常伴有煤巖體拋出、巨響、氣浪及巖體震動等現象。經常造成巷道堵塞、冒頂片幫、支架損毀、人員傷亡等，對安全生產帶來巨大威脅。世界上幾乎所有國家都不同程度地受到沖擊地壓的威脅。那么在什么情況下會發生沖擊地壓？理論認為發生沖擊地壓有三個準則：能量準則、沖擊傾向度準則、強度準則。其中能量準則和沖擊傾向度準則是突然破壞準則，強度準則是煤體破壞準則，三個準則同時成立，才是產生沖擊地壓的充要條件。隨著開采深度不斷加深，沖擊地壓出現頻率也不斷加大。為了避免其發生造成重大事故，我們必須采取相應的措施以降低支承壓力的集中程度，例如采用充填法處理采空區，采空區內不留煤柱，避免兩上工作面相向回采，以防止形成支承壓力的重疊。支承壓力集中程度高，不僅可能產生煤層突出，還可能伴隨大量沼氣突出，造成煤和沼氣突出事故。

煤壁破碎片幫：由于支承壓力的作用，使得工作面的煤壁受到破壞變形，煤壁破碎片幫成斜面。根據生產經驗得知，在煤質松軟、支架初撐力低、支架工作狀態不合理、支架支護滯后、煤層中節理及裂隙發育時易發生煤壁破碎片幫。

頂板下沉：在工作中，工作面前方尚未懸露的頂板在支承壓力的作用下，就已經開始下沉。頂板預先下沉所產生的裂隙，會使得工作面和工作面前方區段平巷的壓力增大。頂板下沉量的大小受煤層的厚度、煤層的松軟程度、頂板的堅硬程度影響。煤層較厚較軟，頂板較為堅硬時，頂板下沉量較大。在工作中我們經常用增設抬棚、斜撐支架等防護措施來防止區段平巷的支架被壓壞。

3 工作面初次來壓

通俗的說工作面初次來壓就是由于老頂在自重和上覆巖層的作用下的第一次斷裂使得工作面壓力增大，即初次來壓。

初次來壓時具有以下特點：①支架受力猛增致使頂板破碎，煤壁出現平行的裂隙。②在老頂的劇烈活動下，工作面頂板下沉速度和下沉量都迅速增加，甚至有可能出現臺階式下沉。③由于老頂懸露面積增大，煤壁內壓力太過集中，采空區出現掉塊，煤幫嚴重出現大深度、大范圍片幫。④老頂折斷垮落時，有時發出巨大的斷裂聲，采空區深處發出悶雷聲，來壓劇烈時會揚起大量煤塵并伴有暴風。

工作中，我們常采取強制放落頂板、沿放頂線加強支護等措施來應對初次來壓。

4 周期來壓

當老頂初次垮落后，支架受力減輕，老頂由起初的雙支承梁變為懸臂梁。此時上覆巖體的重量除部分由垮落的矸石承擔之外，其他重量主要由懸臂梁直接傳給煤壁。工作面繼續向前推進，經過一定時間、達到一定距離時，老頂懸臂梁在自重和上覆巖層的作用下，又會發生斷裂與垮落，即老頂來壓又重復出現，就是工作面頂板的周期來壓。這兩次周期來壓之間的距離稱為周期來壓步距。在工作面內，周期來壓步距小于初次來壓步距。發生周期來壓時，相對比平時工作面的頂板壓力和頂板下沉量來說，要超出30%～40%。工作面頂板周期來壓是是礦井生產過程中周期出現的現象，是礦井災害之一。那么掌握它的規律，預先采取有效措施，加強工作面支護就顯得尤為重要。

周期來壓所具有的特點與初次來壓有一定相似性。

5 頂板下沉

隨著開采活動的進行，采空區不斷擴大，采用垮落法處理采空區，采空區內直接頂板不規則垮落、彎曲、旋轉、下沉，上覆巖層遭到破壞，上覆巖層移動和破壞具有明顯的分帶性，根據破壞的特征，覆巖的破壞和移動可分為三帶：彎曲下沉帶、冒落帶、裂隙帶。“三帶”之中，彎曲下沉帶基本不影響工作面。而冒落帶和裂隙帶在工作面頂板管理方面影響頗大。

彎曲下沉帶：彎曲下沉帶也被稱作彎曲帶或整體移動帶，它位于裂隙帶之上直至地表。此段巖層幾乎不產生裂隙，彎曲帶在采空區的上方會形成一個下沉的盆地。彎曲下沉帶一般呈整體移動，它的高度主要受開采深度的影響。

冒落帶：冒落帶也被稱作垮落帶，它位于覆巖的最下部，煤層采空后，上覆巖層隨之打破原有平衡，巖塊從緊靠煤層的頂板巖層開始冒落，直至充滿開采空間。采出厚度和上覆巖石的碎脹系數是影響冒落帶高度的主要因素。在采厚較大及巖石較為堅硬時，冒落帶較大，反之較小。冒落帶冒落的碎巖塊之間空隙越多，連通性就越強，這里不僅是瓦斯集聚或逸出的場所也是水和泥沙潰入井下的一個通道。

裂隙帶：裂隙帶又被稱作斷裂帶或裂縫帶。裂縫帶位于冒落帶之上。隨開采區域的不斷擴大，裂隙帶也不斷向上發展。開采區域的范圍擴大到一定程度時，裂隙帶高度不再向上發展，此時裂隙帶高度達到最大值。若開采區域繼續擴大，裂隙帶高度則不再變化，裂隙帶上部裂縫反而會隨著時間的推移逐漸閉合，巖層移動趨于穩定，裂隙帶高度也隨之降低。

6 結 語

煤礦是高危行業，由于礦山壓力而造成的危害也是相當之大。因此深入了解礦山壓力的顯現規律并制定出有效的防控措施，是保證礦山安全生產的重要基礎。

參考文獻：

[1] 王旭濤.大傾角厚煤層一次全高開采相鄰工作面礦山壓力顯現規律研究[J].煤炭工程，2012，（9）.